Megcsinálták a lehetetlent a tudósok: összekapcsoltak két időkristályt
A brit kutatóknak sikerült olyan eredményt elérniük az időkristályokkal kísérletezve, ami a modern kvantumszámítógépek elterjedése előtt nyithatja meg az utat.
A tudósoknak sikerült két időkristályból álló rendszert készíteniük – vagyis összekapcsolniuk a két kristályt –, ami egy igen furcsa kvantumrendszert eredményezett: egy olyan végtelen hurokba ragadt, amire nem vonatkoznak a termodinamika normál törvényei. A megoldástól azt remélik, egy újfajta kvantumszámítógépet tudnak majd építeni.
Kristályból időkristály
A hétköznapi életben sok helyen találkozhatunk kristályokkal: az italba beletett jégkockától egészen a gyémántig. Ezek szépsége egyértelmű, a fizikusok azonban a természet normál szimmetriájának felbomlásaként gondolnak rájuk.
A fizika törvényei a térben szimmetrikusak. Ez azt jelenti, hogy a gravitáció, az elektromágnesesség vagy a kvantummechanika alapvető egyenletei egyformán érvényesek a világegyetem bármely pontján. Emellett minden irányba is egyformán működnek, vagyis egy laboratóriumi kísérletnél a kísérletet 90 fokkal elforgatva is ugyanazt az eredményt kell, hogy adja.
A kristályokban azonban ez a szimmetria megtörik.
A molekulák egy előnyös irányba rendeződnek, ismétlődő térszerkezetet hozva létre. A fizika alapvető törvényei itt is szimmetrikusak maradnak, a molekulák azonban nem.
Az időkristályt ezzel szemben nem térben, hanem időben változó elemek alkotják, amelyek meghatározott időnként állapotot váltanak, majd visszaváltanak a kiindulópontra. Ez azonban megszegi az úgynevezett idő-transzlációs szimmetriát, ami lényegében azt mondja ki, hogy a fizikai szabályok (egy tárgy szerkezetét meghatározó fizikai szabályok is) még az idő múlásával is változatlanok maradnak.
„Az időkristály külső behatás nélkül folyamatosan változik, majd időnként visszatér az eredeti állapotába” – magyarázza Samuli Autti, a brit Lancaster Egyetem tudósa a LiveScience-nek. A szakember szerint mindez úgy lehetséges, hogy az időkristály a legalacsonyabb energiájú állapotában van, a kvantummechanikai szabályok pedig megakadályozzák, hogy teljesen megálljon.
Ilyen szempontból a leginkább egy örökmozgóra hasonlít az időkristály, mert a jelek szerint nem vonatkoznak rá a termodinamika szabályai. Autti szerint mindez addig igaz, amíg nem figyeljük meg a rendszert, mert ha megtesszük, azzal már befolyásoljuk a működését. A kristályok ugyanis nem tudnak tovább működni, ha kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel. Sőt, ezzel gyakorlatilag maga az időkristály is megszűnik.
Megpróbálták, sikerült
Autti és csapata annak a módját próbálták megtalálni, hogy miként tudnak a megfigyeléssel kölcsönhatásba lépni az időkristállyal. A tudósok a munka során magnonokat használtak az időkristály felépítéséhez. A magnonok „kvázi-részecskék”, amelyek egy atomcsoport kollektív állapotában léteznek. Ebben az esetben a szakemberek hélium-3-at – két protonból, de csak egy neutronból álló atomot – használtak, amit aztán az abszolút nulla fok közelébe, néhány tízezred fokkal afölé hűtöttek le. Ez azért fontos, mert ezen a hőmérsékleten a hélium-3 Bose-Einstein kondenzátummá alakul: itt minden atomnak azonos kvantumállapota van, és egy mással összhangban működnek.
Ebben az állapotban a hélium-3 elektronjainak összes spinje (perdülete) összekapcsolódva működött, ezzel pedig mágneses hullámokat, magnonokat hoztak létre. Ezek a hullámok folyamatosan oda-vissza változtak, így gyakorlatilag időkristállyá váltak.
Autti csapata két ilyen időkristályt közelített egymáshoz, amelyek végül egy kristályként kezdtek működni, de két különböző állapotban. A szakemberek azt remélik, ezzel megtudhatják, milyen kapcsolat van a klasszikus- és a kvantumfizika között. A céljuk, hogy olyan időkristályokat építsenek, amelyek úgy lépnek kölcsönhatásba a környezetükkel, hogy nem esik szét a kvantumállapotuk. Ha ez sikerülne, akkor felhasználási módot is lehetne találni az időkristályoknak – a kvantumszámítógépekben például nagy hasznukat lehetne venni.
Forrás: HVG